CN105277736B - 液晶微流动Micro-PIV系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶微流动Micro‑PIV系统，包括：微流场激发部分，用于液晶微流场的激发；所述微流场激发部分包括液晶盒、显微镜冷热台、波形发生器和切换单元，所述液晶盒提供微流动的微流场，所述显微镜冷热台与自制波形发生器用于激发微流场，所述切换单元根据所激发的微流场类型进行切换；所述液晶盒内装入荧光示踪粒子和被测液晶混合后得到的液晶混合液；流动观察记录部分，用于观察并记录荧光示踪粒子的运动，获取荧光示踪粒子运动的视频文件；以及图像数据处理部分；用于将视频文件进行图像数据处理。本发明针对微小器件中流体的流动显示技术，特别是针对非牛顿流体的流动显示技术，设计出了一套用于测量非牛顿流体液晶微流动的Micro‑PIV系统。

Description

液晶微流动Micro-PIV系统

技术领域：

本发明属于微流体驱动与控制技术领域，特别是涉及一种液晶微流动Micro-PIV系统。

背景技术：

PIV的全英文名称是Particle Image Velocimetry，又被叫作粒子图像测速法，是20世纪发展起来的一种瞬态、无接触式的激光式的流体力学测速系统。在随后的几十年，经过不断地发展和完善，日渐趋向成熟。PIV技术的特点是能在一瞬间以图像的形式记录空间点上的速度分布信息，并呈现丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。

PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。如果示踪粒子跟随性越好，那么示踪粒子的流动状态就越能间接反映流体流场的流动状态。理想的示踪粒子要满足如下要求：（1）密度和重量最好要和实验流体一样；（2）直径要足够小；（3）粒子的外形最好是圆形且分布尽可能的均匀；（4）要有高的光散射率。在液体测速实验中，示踪粒子通常采用空心微珠或者金属氧化物颗粒；在空气测速实验中，示踪粒子可采用烟雾或者粉尘状的细小颗粒；在微管道测速实验中，示踪粒子通常采用更细微的微粒，如荧光微粒、量子点等。

Micro-PIV是在PIV测速技术基础上发展而来的，是一套微米级别的即时定量的微流场测速方法。两者有较大的差别，比如示踪粒子的选择、图像的记录和处理等方面。Micro-PIV测速在图像记录和处理方面采用更高分辨率的显示技术，来捕捉荧光粒子流动的细微运动，同时减小荧光衍射而带来的误差，使后期计算得到的全流场速度矢量图更加细微和准确。

Micro-PIV突破了传统微尺度流体力学测量手段的局限性，使得对微尺度流动元件的研究从过去只能给出流量、阻力特性等有限信息逐步转向对全流场内流结构的直接测量上，并且达到了相当高的分辨率和测量精度。Micro-PIV粒子图像测速是在PIV的基础上进一步发展而来的。其原理和PIV基本相同，但是Micro-PIV技术有无接触式及高精度全流场检测的特点，而且Micro-PIV所用到的示踪粒子直径更小，几乎可以到几十纳米，这样可以减少对流场中的流体的影响。但是，目前对Micro-PIV还处于研究阶段，现有的Micro-PIV系统还存在各种问题，不能直接应用于微小器件中流体的流动显示技术之中。

发明内容：

本发明的目的是提供一种液晶微流动Micro-PIV系统，针对微小器件中流体的流动显示技术，特别是针对非牛顿流体的流动显示技术，设计了一套用于测量非牛顿流体液晶微流动的Micro-PIV系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种液晶微流动Micro-PIV系统，包括：

微流场激发部分，用于液晶微流场的激发；所述微流场激发部分包括液晶盒、显微镜冷热台、波形发生器和切换单元，所述液晶盒提供微流动的微流场，所述显微镜冷热台与自制波形发生器用于激发微流场，所述切换单元根据所激发的微流场类型进行切换；所述液晶盒内装入荧光示踪粒子和被测液晶混合后得到的液晶混合液；

流动观察记录部分，用于观察并记录荧光示踪粒子的运动，获取荧光示踪粒子运动的视频文件；

以及图像数据处理部分；用于将视频文件进行图像数据处理。

进一步，所述液晶盒包括平行相对设置的上、下玻璃基片，在上玻璃基片上设有上导电膜层，所述上导电膜层上设有上聚酰亚胺层，所述下玻璃基片上设有下导电膜层，所述下导电膜层上设有下聚酰亚胺层，上聚酰亚胺层和下聚酰亚胺层之间设有液晶层；所述液晶层包括荧光示踪粒子和液晶混合后形成的混合层。

进一步，所述波形发生器包括高电压四通道波形发生器和/或高电流波形发生器；所述高电压四通道波形发生器包括显示电路、单片机最小系统、按键电路和四通道高压输出电路，所述显示电路、按键电路和四通道高压输出电路分别连接到单片机最小系统，所述四通道高压输出电路包括依次连接的第一D/A转换电路、第一电压放大电路和通道1，依次连接的第二D/A转换电路、第二电压放大电路和通道2，依次连接的第三D/A转换电路、第三电压放大电路和通道3，以及依次连接的第四D/A转换电路、第四电压放大电路和通道1。

进一步，所述显微镜冷热台包括主体部分，提供冷却水循环的蠕动泵及控制部分；所述主体部分包括底座和顶盖，所述底座上设有冷却水入口、冷却水出口和腔体部，所述冷却水入口、冷却水出口经冷却水管道连通，所述腔体部内设有加热制冷芯片和温度传感器，所述加热制冷芯片包括加热制冷半导体芯片。

进一步，所述流动观察记录部分包括落射式荧光显微镜、视频录制摄像头和显示及控制系统；所述视频录制摄像头采用CCD图像传感器，所述落射式荧光显微镜、视频录制摄像头分别与显示及控制系统连接。

进一步，所述图像数据处理部分，包括：

导入待处理的视频文件；

将导入的视频文件转化为图片，包括：将视频文件拆分为图片，并根据荧光示踪粒子运动速度的大小确定拆分的图片数量；一秒钟的视频可以拆分10帧到30帧的待处理图片，如果视频中可以看出示踪粒子速度很慢，就可以选择一秒钟视频拆分为10帧图像进行处理；如果示踪粒子较快，可以选择将一秒钟视频拆分为30帧图像，这样可以提高处理精度;

将所拆分的图片进行预处理，所述预处理包括滤波处理和腐蚀处理；

对预处理后的图片进行运算，绘制速度场。

进一步，所述荧光示踪粒子采用直径2μm的固体荧光微球颗粒。

进一步，所述腐蚀处理采用腐蚀运算的方法进行处理。

本发明的有益效果为：

（1）本发明作为液晶专用系统，示踪粒子问题与其他系统有着本质区别，首先是示踪粒子的均匀性问题。本系统构建初期，为了使用尽量小的荧光微球作为示踪粒子，选择荧光微球水溶液，微球直径0.02-0.1μm，对于大部分研究微型管道的学者来说，少许的水分对实验室没有影响的。但是，作为液晶微流动专用Micro-PIV系统来讲，流动介质液晶是一种不溶于水的有机物，这一特性使荧光微球溶液很难融入液晶，所以均匀性问题一直难以解决。后期，采用直径较大（2μm）的固体荧光微球颗粒，购于北京立方天地科技有限公司，均匀性问题才得到有效解决。

（2）微流场激发部分；普通Micro-PIV系统的测速对象大部分为水，粘度远小于液晶，流速较快，且流场的激发方式为压力驱动。本系统主要针对电磁场及温度场驱动的液晶微流动进行测量，因此微流场激发部分的四通道信号发生器及显微镜冷热台均属本系统所特有的。

（3）图像数据处理部分；普通PIV系统所使用的传统处理软件大部分采用的相关算法，预处理部分主要为各种滤波处理，主要针对示踪粒子浓度较高，流速较快的图片进行处理。液晶流动速度较慢，且图片均为显微镜下拍摄，粒子很容易连成一片，本发明在预处理过程加入腐蚀运算可以提高图片的清晰度，提高后续相关运算的精确度。

附图说明：

图1是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的系统连接图。

图2是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的结构框图。

图3是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的液晶盒的结构示意图。

图4是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的波形发生器的结构框图。

图5是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的运用Proteus软件仿真的主程序流程图。

图6是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的显微镜冷热台的结构示意图。

图7是本发明实施例中一种液晶微流动Micro-PIV系统的图像数据处理流程图。

图8是典型液晶相的X射线衍射图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括微流场激发部分、流动观察记录部分和图像数据处理部分三部分。微流场激发部分，用于液晶微流场的激发；流动观察记录部分，用于观察并记录荧光示踪粒子的运动，获取荧光示踪粒子运动的视频文件；图像数据处理部分；用于将视频文件进行图像数据处理。

微流场激发部分包括液晶盒、显微镜冷热台、波形发生器和切换单元，液晶盒提供微流动的微流场，显微镜冷热台与自制波形发生器用于激发微流场，切换单元根据所激发的微流场类型进行切换；液晶盒内装入荧光示踪粒子和被测液晶混合后得到的液晶混合液。本发明实施命名的液晶盒为自制液晶盒。

自制液晶盒可以提供微流动的流场，如图3所示，液晶盒包括平行相对设置的上、下玻璃基片1，上、下玻璃基片1上分别设置上、下导电膜层2，上、下导电膜层2上分别设置上、下聚酰亚胺层3。在上玻璃基片上设有上导电膜层，上导电膜层上设有上聚酰亚胺层，下玻璃基片上设有下导电膜层，下导电膜层上设有下聚酰亚胺层，上聚酰亚胺层和下聚酰亚胺层之间设有液晶层；液晶层4包括荧光示踪粒子和液晶混合后形成的混合层。

显微镜冷热台与自制波形发生器用于激发微流场，切换单元可根据所激发的微流动类型进行选择。如果需要施加电、磁场来激发液晶流动，就选择波形发生器。系统中的波形发生器包括两种，一种是高电压四通道波形发生器，另外一种是高电流波形发生器。如果需要施加温度场来激发液晶流动，则需要选择显微镜冷热台。

如图4所示，高电压四通道波形发生器的输出为四通道高压输出，目前市场上大多数波形发生器通道为单通道或两通道且输出电压偏低，对于两通道的波形发生器往往其中一个通道输出受到限制，只能输出特定的波形，比如北京普源精电科技有限公司生产的DG1022型双通道波形发生器CH1通道只能输出1.5KHz、5V的三角波，不能满足系统要求。

其中，函数发生器的设计方案为利用单片机等微控制器控制D/A芯片实现输出波形，具有电路简单、数字化控制、成本低廉等优点。显示电路选用LCD1602液晶屏；单片机选用CTC公司生产STC89C58RD⁺型，D/A芯片选用并行通信的DAC8032，电压放大电路主要芯片选用APEX公司生产的PA系列高电压高效能功率运算放大器PA08。

设计原理为运用单片机控制D/A芯片经电流-电压转化电路实现输出任意波形、通过PA08电压放大电路实现四通道高电压输出。在设计原理中，利用MATLAB对任意波形进行A/D数据采集作为波形输出数据源、通过改变数据源中最大值Dmax实现波形幅值调节、改变单片机输出相邻两个数据之间的时间实现频率调节、以输出电压与D比值的方差确定D/A芯片参考电压。可实现四通道输出顺序可调、选通时间可调、选通路数可调，且对于四通中任意一个通道可实现波形可调、幅值可调、频率可调、初始相位角可调、占空比可调，也就是波形发生器四通道中任意两个通道是独立可调的，不会相互影响。

系统仿真本设计选用Proteus软件，Proteus是一种功能很强大的仿真软件，被广泛应用于弱电系统的程序调试中，特别是在大型程序的编写中。如果在实物上进行程序调节，一方面每调节程序一次都需要向单片机烧写程序一次，浪费时间和减少单片机寿命；另一方面程序烧写在硬件系统后如果没达到要求的结果，不易分辨是程序错误还是硬件电路错误。运用Proteus软件仿真的主程序流程图如图5所示。

显微镜冷热台包括主体部分，提供冷却水循环的蠕动泵及控制部分。主体部件选择腔体结构，具体结构如图6所示，主要包括底座1、半导体冷热片2、导热硅脂3、显微镜载物片4、有机玻璃5、顶盖6、冷却水腔7和传感器8。加热制冷芯片选择依据珀耳帖效应设计的加热制冷半导体芯片，可实现加热制冷的功能，其优点是：温度调节速度很快，不需任何制冷剂，可连续工作，没有污染。温度传感器选择的是PT100铂热电阻温度传感器，该传感器测量精度高，性能稳定。范围在-55℃~+125℃，地址线、数据线和控制线合为一根双向串行数据的信号线。显微镜冷热台可以实现以下功能：（1）恒定温度设定，可以根据实际要求设置不同的温度；（2）实时温度测量显示，温度传感器实时测量冷热台腔体内的温度并通过显示器显示；（3）升温，可根据要求在指定时间内由现有温度升高到指定温度；（4）降温，可根据要求在指定时间内由现有温度降至指定温度。升降温区间为-50℃~+100℃。

液晶微流动观察部分主要分为三部分：落射式荧光显微镜、视频录制摄像头和台式电脑。荧光显微镜我们选择了奥林巴斯CX41这款，包括一台激光发射器、激光发射器控制器及显微镜主体三部分，结合了奥林巴斯先进的UIS光学系统，在从明场到荧光等各种观察方法下，图像品质都得到了保证。载物台的XY旋钮带有胶皮帽，单个手指即可平滑地移动样品位置。紧凑的镜体和控制钮位置的设计保证了操作时手的移动最少，令使用者保持舒适的姿势。视频录制摄像头采用CCD图像传感器，CCD图像传感器选择了明美的MC50，数码成像系统采用进口的Sony ICX282 Progressive Scan Interline CCD传感器，具有实时预览功能。500万像素结合36BIT色深能够采集高质量的显微图像。为了适应弱光的应用，制冷的MC50在长时间曝光时可以有效降低热噪声。USB数字接口使安装更简单、方便，只需要用一根USB2.0电缆将电脑和相机连接，同时简单的安装配套驱动和专用的图像采集软件即可实现预览和图像采集、视频的采集。

将荧光示踪粒子和被测液晶混合后装入自制液晶盒，就可以通过这部分观察并记录荧光示踪粒子的运动，进而了解整个液晶微流场的详细情况。

本发明所涉及的图像数据处理部分借助MATLAB软件实现，如图7所示，图像数据处理的步骤如下：

步骤1：导入待处理的视频：本发明所涉及的系统所获得的数据为视频，数据处理的第一步为导入系统所获得的视频，系统所获得的视频为.wmv格式，需要转换为MATLAB能够识别的.avi格式。

步骤2：转化为图片：第一步所导入的视频是由30帧/秒的图片构成的，这一步需要运用MATLAB相应的拆分功能将视频拆分为图片，并根据速度的大小确定处理的图片数量，可选择全部30帧/秒，也可以选择10帧/秒或者5帧/秒。

步骤3：滤波：首先对所拆分的图片进行传统滤波处理，提高图像的清晰度。

步骤4：图像腐蚀处理：由于本系统的视频为显微镜下拍摄，如果示踪粒子浓度偏高，可能会出现粒子连在一起的情况，此时最适合的操作时对图像进行腐蚀处理，这种图像处理方式属于数学形态学的一种，可以通过算法的处理将连在一起的图像点成功分开。

步骤5：相关运算：对预处理过的图片进行传统相关运算，绘制速度场。

PIV测试系统中，示踪粒子均匀的悬浮于溶液中，并具良好的跟随性，这是判别系统好坏的重要依据之一。本发明作为液晶专用系统，示踪粒子问题与其他系统有着本质区别，首先是示踪粒子的均匀性问题。本系统构建初期，为了使用尽量小的荧光微球作为示踪粒子，选择荧光微球水溶液，微球直径0.02-0.1μm，对于大部分研究微型管道的学者来说，少许的水分对实验室没有影响的。但是，作为液晶微流动专用Micro-PIV系统来讲，流动介质液晶是一种不溶于水的有机物，这一特性使荧光微球溶液很难融入液晶，所以均匀性问题一直难以解决。后期，采用直径较大（2μm）的固体荧光微球颗粒，购于北京立方天地科技有限公司，均匀性问题才得到有效解决。

其次，示踪粒子通常是在二氧化硅或者聚苯乙烯等母体上增加荧光染料制成，在水中使用没有问题，但是在液晶有机物中，就可能发生反应，影响实验观察，以至于每次配成的实验材料放置一段时间，观察效果就不太理想。液晶是不透明的浑浊状态，示踪粒子被激发后，虽然可以发出亮光，但是，对观察效果还是有一定的影响。因此，运用本系统做观察实验时，为了保证实验效果，对液晶混合液的混合时间有一定要求,最好是混合均匀后一小时内开始试验。

再次，液晶在X射线照射时，会发生衍射图案，且不同种类液晶的强度不同，图8为两种典型液晶的X射线衍射图，该衍射图与液晶缺陷混杂在一起，会给系统正常工作带来一定的影响。

本发明系统的示踪粒子浓度问题也与普通PIV系统有所区别，由于液晶的衍射问题，本系统中示踪粒子浓度要远远低于普通PIV系统，具体浓度视具体观察问题而定，需要反复试验确定。

微流动激发部分：普通Micro-PIV系统的测速对象大部分为水，粘度远小于液晶，流速较快，且流场的激发方式为压力驱动。本系统主要针对电磁场及温度场驱动的液晶微流动进行测量，因此流动激发部分的四通道信号发生器及显微镜冷热台均属本系统所特有的。

图像数据处理部分：普通PIV系统所使用的传统处理软件大部分采用的相关算法，预处理部分主要为各种滤波处理，主要针对示踪粒子浓度较高，流速较快的图片进行处理。液晶流动速度较慢，且图片均为显微镜下拍摄，粒子很容易连成一片，预处理过程加入腐蚀运算可以提高图片的清晰度，提高后续相关运算的精确度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种液晶微流动Micro-PIV系统，其特征在于：包括：

微流场激发部分，用于液晶微流场的激发；所述微流场激发部分包括液晶盒、显微镜冷热台、波形发生器和切换单元，所述液晶盒提供微流动的微流场，所述显微镜冷热台与波形发生器用于激发微流场，所述切换单元根据所激发的微流场类型进行切换；所述液晶盒内装入荧光示踪粒子和被测液晶混合后得到的液晶混合液；

流动观察记录部分，用于观察并记录荧光示踪粒子的运动，获取荧光示踪粒子运动的视频文件；

以及图像数据处理部分， 用于将视频文件进行图像数据处理；

所述液晶盒包括平行相对设置的上、下玻璃基片，在上玻璃基片上设有上导电膜层，所述上导电膜层上设有上聚酰亚胺层，所述下玻璃基片上设有下导电膜层，所述下导电膜层上设有下聚酰亚胺层，上聚酰亚胺层和下聚酰亚胺层之间设有液晶层；所述液晶层包括荧光示踪粒子和液晶混合后形成的混合层；

所述波形发生器包括高电压四通道波形发生器和/或高电流波形发生器；所述高电压四通道波形发生器包括显示电路、单片机最小系统、按键电路和四通道高压输出电路，所述显示电路、按键电路和四通道高压输出电路分别连接到单片机最小系统，所述四通道高压输出电路包括依次连接的第一D/A转换电路、第一电压放大电路和通道1，依次连接的第二D/A转换电路、第二电压放大电路和通道2，依次连接的第三D/A转换电路、第三电压放大电路和通道3，以及依次连接的第四D/A转换电路、第四电压放大电路和通道4；

所述显微镜冷热台包括主体部分，提供冷却水循环的蠕动泵及控制部分；所述主体部分包括底座和顶盖，所述底座上设有冷却水入口、冷却水出口和腔体部，所述冷却水入口、冷却水出口经冷却水管道连通，所述腔体部内设有加热制冷芯片和温度传感器，所述加热制冷芯片包括加热制冷半导体芯片；

所述流动观察记录部分包括落射式荧光显微镜、视频录制摄像头和显示及控制系统；所述视频录制摄像头采用CCD图像传感器，所述落射式荧光显微镜、视频录制摄像头分别与显示及控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种液晶微流动Micro-PIV系统，其特征在于：所述图像数据处理部分包括：

导入待处理的视频文件；

将导入的视频文件转化为图片，包括：将视频文件拆分为图片，并根据荧光示踪粒子运动速度的大小确定拆分的图片数量；

将所拆分的图片进行预处理，所述预处理包括滤波处理和腐蚀处理；

对预处理后的图片进行运算，绘制速度场。

3.根据权利要求1所述的一种液晶微流动Micro-PIV系统，其特征在于：所述荧光示踪粒子采用直径2μm的固体荧光微球颗粒。

4.根据权利要求2所述的一种液晶微流动Micro-PIV系统，其特征在于：所述腐蚀处理采用腐蚀运算的方法进行处理。